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长距离高扬程多起伏输水管道水锤防护的探究发表时间：2015-01-23T11:08:55.300Z 来源：《防护工程》2014年第11期供稿作者：谈美丽[导读] 这个过程是水力过渡中非常复杂的问题，和传统关阀水锤和停泵水锤都不同，在管线首端设置的防护措施效果甚微。
谈美丽北京沃利帕森工程技术有限公司南京分公司江苏省南京市 210000摘要：主要研究长距离高扬程多起伏输水管道水锤防护技术，介绍了长距离输水管道水锤基本方程和边界条件，在此基础上，讨论了长距离高扬程多起伏输水管道水锤防护措施，对常见水锤防护技术的特点进行了对比研究，为长距离高扬程多起伏输水管道选择合适的水锤防护方案提供参考。
关键词：高扬程；输水管道；水锤防护企业规模不断扩大，用水量激增，需要通过长距离大型输水工程来为企业供水。
但是在长距离有压管道中，容易发生水煮分析和断流弥合水锤，产生非常严重的危害，所以在长距离多起伏输水管道中，水锤防护工作是保证输水管道安全运行的必要技术措施。
一、长距离输水管道水锤基本方程不同水锤计算理论有着不同的影响因素：表1-1 水锤影响因素（二）下游为水池工况下游水池面积远大于管道面积，水池水位Hm 时，管路末端节点水头HpNS=Hm。
三、水锤防护（一）单向调节塔箱设计水位无需到达水泵正常工作水力坡度线，降低了安装高度，经济效益很高，管道存在负压时向管道内注水保持水流连续性，管道升压过程水流不能进入塔内。
需要通过计算机动态模拟和方案比较后确定装设位置、座数、容积、注水容量等参数。
单向调压塔主要从避免断流空腔方面考虑消除水锤，正压波到来后仍然会产生升压，所以需要和超压泄压阀配合，避免断流和管道升压。
北方冬季还需要注意冰冻，防止水箱底部冻坏，需要在水箱底部设置排空管，或者采取其他措施防冻，而在南方要避免水质变坏。
（二）双向调节塔双向调压塔为开口水池，是一种兼有注水和泄水的缓冲式水锤防护设备，管道中压力下降，双向调节塔能够向管道迅速补水，避免管道产生负压，防止出现水柱分离造成断流。
长距离重力流输水管道系统的水锤防护研究的开题
报告
一、研究背景：
随着经济的发展和人民生活水平的提高，水资源的需求量逐渐增大。
为了满足人们对水资源的需求，水利工程建设进入井喷式发展，长距离
重力流输水管道系统得到了广泛应用。
然而，由于管道系统中水的流动
速度很快，当水流急剧变化时，会产生水击现象，即水锤。
水锤会给管
道系统带来严重的破坏，严重影响水源的正常供应。
因此，研究长距离
重力流输水管道系统的水锤防护措施已成为亟待解决的问题。
二、研究目的：
本研究旨在探究长距离重力流输水管道系统的水锤防护研究，并提
出可行的防护措施，以保护管道的正常运行，确保水源的正常供应。
三、研究内容：
（1）长距离重力流输水管道系统的水锤机理分析；
（2）水锤的计算方法研究；
（3）针对多种水锤现象，提出不同的防护措施，包括增加变径段、增设阻尼装置、增设空气室、减少管道的柔性等措施；
（4）对比分析各种防护措施的优缺点，提出综合防护措施，包括结合不同措施的组合防护方案。
四、研究方法：
采用文献资料法、数值模拟法、实验方法等研究方法，对长距离重
力流输水管道系统的水锤防护研究进行探究。
五、预期成果：
（1）掌握长距离重力流输水管道系统的水锤机理；
（2）探究多种水锤现象的计算方法；
（3）提出不同的防护措施，比较各种措施的优缺点；
（4）提出适用于具体工程的综合防护措施。
六、研究意义：
本研究的成果将为长距离重力流输水管道系统的设计、建设和运行提供参考，为保障水资源的正常供应起到积极的作用。
长距离大管径重力流输配水管道水锤防护方法探讨发表时间：2020-03-18T02:42:09.174Z 来源：《建设者》2019年23期作者：崔月甫[导读] 水锤容易发生在长距离大管径重力流输配水管网的输配水过程中，是一种破坏性极大的现象。
河北供水有限责任公司保沧干渠管理处河北定州 073000摘要：水锤容易发生在长距离大管径重力流输配水管网的输配水过程中，是一种破坏性极大的现象。
因此，在输配水管网的设计、施工和运行过程中要充分考虑水锤对输配水管网的安全、稳定性的影响。
理论上只要控制了输配水管道的水流速度和压力突变就可以消除这种现象，在实际操作过程中尤其应对管道的强度薄弱环节予以特别重视。
人们在长期对水锤的预防和控制过程中积累了大量的经验，只有深入了解各种水锤防护装置的特性及其消锤原理，才能在对水锤进行详尽计算分析后根据水锤压力变化的特点及经济条件合理选用。
关键词：长距离；大管径；重力流；输配水管道；水锤防护方法引言目前，我国长距离大型重力流输水工程越来越多，随之而来的工程爆管问题引起越来越多工程人员的注意。
长距离有压重力流输水管道中易发生水柱分离与断流弥合水锤，并造成严重的水锤危害。
管道系统水锤防护问题，作为输水管道安全运行的重要课题之一，是很有必要进行深入研究的。
在长距离输水管线中，尤以多起伏管道水锤防护难度最大，发生水锤事故最多。
实际工程更需要这方面的技术，根据输水系统的实际特点，设计合理、有效、经济的水锤防护措施。
长距离大管径重力流输水管道中压力特点大型管道输水工程，常常利用天然地形落差靠重力流输水，正常运行时测压管水头小于静水头，但是，当管路上的闸、阀关闭后，管中最大静水头即为地形最大落差，落差越大，管道承受的压力越高，当闸、阀发生非正常关闭时，容易产生较大的水击压力，造成管道爆裂事故。
对于特殊的多起伏重力流管路，常常在管路高点、转折点发生断流空腔，容易造成断流弥合水锤。
因此在长距离重力流输水工程中也应充分认识到水柱弥合水锤的危害。
氏安大学硕一Ｉ：学位论文如图２．１所示，血表示出时段内水锤波以波速ａ沿管路移动的距离，例如，在ｔ。
时刻，管路彳处传出一正水锤波＋口，在气＋△ｆ时移动了敏距离而到达Ｐ点（即对应＋口线上的Ｐ点），同理在管路Ｂ点传出一反向水锤波一ａ，在乇＋出时移动了血距离而到达Ｐ点（即对应吲线上的Ｐ点）。
所以把斜率为±ａ的直线分别称为正负水锤特征线。
彳和曰点代表地点ｘ和ｆ时刻已给定的两个点，它们的日和矿是已知的。
通过彳点曲线相当于式（２．１５），沿着Ｃ＋曲线可以应用式（２．１４），通过Ｂ点曲线相当于式（２．１７），沿着Ｃ一曲线可以应用式（２．１６），因此，联立式（２．１４）币Ｉ（２．１６）解出的Ｈ和ｙ值，就是两条曲线交汇点Ｐ上的参数砟和巧。
曲线Ｃ＋和Ｃ一称为特征线，式（２．１４）和（２．１６）称为相容性方程，相容性方程的解就是原始基本微分方程（２．３）和（２．４）的解。
由于求解过程是沿着特征线Ｃ＋和Ｃ一进行的，故只能得到特征线交点上的参数值。
２．３．２特征线有限差分方程式日Ｐ一日Ａ＋云（ＱＰ—Ｑ月）＋丢筹ｇＩ鳞Ｉ＝。
（２．１８）Ｈ／，－Ｈ口一云（绋一绋）一乏暑级Ｉ绋ｌ＝。
（２．１９）式中血＝ａＡｔ。
特征线为斜率固定不变的直线，利用有限差分方程进行运算的过程可以用Ｘ—ｆ坐标图中的矩形网格来描述。
如图２．２所示，将管路划分为Ⅳ个间距均为缸的步段，断面排列序号用ｆ表示，管路始端断面ｉ＝ｌ，终端断面江Ｎ＋Ｉ，计算时段应为血△，＝——。
ｔ－◆＾盘１．唪拗ｈ４－拗ｌ－专融气×××××Ｘ××××××××××××６－××××××６’ｌ赢Ｚ譬出ｌ叙叙ｌ出一婚纱摄影/。
市政供水工程中长距离输水问题探讨摘要：长距离输水管道被广泛用于市政供水工程系统改造中。
在长距离输水管道施工中，由于管道投资占工程总投资比重较大，管材、管径的选择必须结合工程实际进行综合技术经济比较确定。
同时由于长距离输水管道的压力高，在设计中必须考虑安全运行措施和便于检修的措施。
基于此，本文对市政供水工程中长距离输水问题进行探讨，以供参考。
关键词：市政工程；供水工程；长距离输水近年来，长距离输水在市政供水工程的建设过程中越来越普遍，与一般输水工程相比，长距离输水压力更大、输水线路更长，对于工程各方面质量要求较高。
因此，在市政长距离输水工程建设过程中，必须加强质量控制，做好输水线路的布置和管材的选择，采取合理措施有效解决输水过程中的水锤问题及管道防腐问题，确保工程安全、稳定运行。
1 长距离输水管道常遇到的问题(1)输水距离过长，尤其输送的原水常常造成管内堵塞现象；(2)长距离输水一般考虑双管敷设，但有些未考虑联通管，导致单管发生事故，则整条管路无法使用；(3)未进行水锤影响分析，导致管道经常爆管；(4)管道防腐未做好，经常容易腐蚀；(5)管道排气设置不合理，导致产生气阻；(6)减压措施不合理导致爆管。
2 市政供水工程中长距离输水线路布置与管材选择2.1 输水线路的走向布置输水线路长、输水压力大是长距离输水的主要特点，这类供水工程经过的区域较多，因此地形变化较为复杂，在布置输水线路走向时，应当满足安全性、经济性、环保性和便捷性原则，尽量减少对土地的占用。
除此之外，长距离输水线路的布置还要满足城市规划与经济发展要求，具有表现为：(1)在布置输水线路时，应当与城市总体规划要求相符，减少工程施工对交通的影响。
供水工程运行期间还要便于定期的养护和维修，确保线路布置的科学性、合理性与经济性；(2)在选择输水线路之前，相关人员应当认真考察施工区域的实际情况与地形地质条件，尽可能使线路不穿过障碍物，便于工程施工的顺利开展；(3)如果输水线路需要布置在隧洞洞线，应当对有利地形进行充分利用，对于地形的完整性、山坡坡度和洞口地质问题进行综合性考虑，合理安排施工场地。
长距离供水如何控制水锤危害摘要：水锤效应是长距离供水管道中常见的一种物理现象，对供水管道的安全稳定运行有着明显的负面影响，严重还会对供水管道造成破坏。
为了控制长距离供水时的水锤危害，保证长距离供水管道正常运行，相关人员应根据水锤效应，提出具体防护措施。
关键词：长距离供水；控制；水锤危害为了缓解我国的供水矛盾，政府及相关部门非常重视供水工程的设计，其中南水北调就是非常具有代表性的供水工程。
管道供水工作具有成本低、环境要求低、操作便捷、管理方便等特点，在供水工程中得到了广泛的使用。
但在长距离供水过程中，管道内部会产生水击造成流速变化，也就是所谓的水锤效应。
水锤的产生会对供水工作造成负面影响，甚至是导致管子的破裂、阀门及元件的损坏，因此在疏水过程中应加强对水锤危害的控制。
1 水锤发生的成因及表现形式1.1 水锤发生的原因水锤现象出现的原因主要有两点：第一，在供水工程中调节流量，需要完成起泵、停泵、启闭阀门或改变水泵转速等操作，而这些操作势必会造成水流速度的剧烈变化，容易出现水锤情况；第二，长距离供水工程中难免会出现突发事故，导致水泵动力中断而造成停泵，一般来说，这种事故多发生在配电系统故障、人员操作失误及雷击等情况下[1]。
1.2 水锤危害的主要表现形式第一，当水锤压力过高或过低时，水流流速的变化会对供水管道造成一定的冲击，当压力过高时就会引发水泵阀门和管道的破坏，而当水锤压力过低时，则会破坏管道的稳定性，使管道受到破坏；第二，在长距离供水过程中，受到客观因素影响，导致水泵反转速过高突然停止或者在反转过程中再次启动电动机时，水流的冲击会使电动机转子永久变形，水泵机组中的部件也会出现相应的损坏。
第三，当水泵中出现倒流情况时，流速超过一定标准后，会使管网内的压力降低，水量减小，从而影响正常供水效果[2]。
2 长距离供水中控制水锤危害的必要性在长距离供水过程中，管道的设计与维护直接影响到供水工作能否顺利开展。
科技创新收稿日期：2019-06-18作者简介：张彦航，男，汉族，河北天和咨询有限公司，工程师。
摘要结合工程实例，分析长距离输水管线断流弥合水锤发生机理、防护措施，为类似工程设计、施工、管理提供借鉴。
关键词输水管线；断流弥合水锤；防护机理□张彦航在长距离有压管道输水中，停泵水锤危害巨大，可能造成管道破裂、设备损坏，甚至造成人员伤亡一直以来都是一个需要解决的难题。
当发生停泵水锤时，整个水系统压力骤降，大部分压力降至输水管线轴线以下，管道内产生负压，负压过大从而导致水体由液态向汽态转化，管道沿线多处发生水柱分离现象，形成“蒸汽空腔”或“空气腔”，极易发生断流空腔再弥合水锤，它是水泵供水系统中最具有危害的一种水锤撞击波动。
降压波造成的断流弥合水锤产生的破坏远高于升压波造成的水锤破坏，在生产实践中长输水管线出现的管道破裂，70%～80%与水柱分离有关。
由于断流弥合水锤发生机理与传统的关阀停泵水锤有所区别，且发生断流弥合的位置难以预料，传统的防停泵水锤技术措施和设备（停泵减压阀、缓闭止回阀、阀门控制技术）对其见效甚微，甚至无效。
为解决降压波产生的断流弥合水锤问题，当前采取的防护措施主要有单项调压塔、箱式双向调压塔、空气压力罐等。
现以内蒙多伦县新城区引水工程为例，对输水管线断流弥合水锤防护措施进行探讨。
1.发生机理在长距离输水管路中产生的断流弥合水锤分两种：一种是蒸汽空腔溃灭产生的弥合水锤；另一种是空气腔溃灭产生的弥合水锤。
“蒸汽空腔”断流弥合水锤为传统的汽液两相流学科中液态→汽态的转换机理，该种情况是由输水管路中降压波造成的。
随着输水系统压力骤降，管道内产生负压，负压过大导致水体由液态向汽态转化，管内完全被细小气泡、泡沫和液体的两相混合物充满，随后蒸汽空腔慢慢形成，最终产生水柱分离，此时空腔内充满水蒸气。
特别是在管线纵剖面上纵坡变化较大的位置，如“膝关部位”、“小丘顶部”等处，更容易产生一些大空腔。
当这些空腔下游具有足够大的背压时，分离的水柱会快速闭合，空腔溃灭，原来的水蒸气快速凝结，分离的两股水柱相互猛烈碰撞，造成升压很高的断流弥合水锤。
“蒸汽空腔”断流弥合水锤是在输水管路的密封性非常完好的前提下产生的，实际上长距离输水管道沿线设有一定数量的空气阀，经空气阀吸入管内大量空气，形成充满空气的大空腔，从而造成水柱分离。
受管路系统压缩波的影响，腔内空气自由无阻地排出管道，空腔缩小乃至消失的瞬间，分离的两股水柱猛烈碰撞到一起，使管中水压骤增，产生“空气腔”断流弥合水锤，其危害常比传统的“蒸汽空腔”断流弥合水锤要大得多，因此，我们在输水线路上布设空气阀时，要求快速补气缓慢排气。
有些国家规定：空气阀向大气中排气时，要求排气速度应保证气流通过空气阀产生的压差在1.5m 水柱以内，并采取一些防碰撞措施。
2.防护措施对于上述的断流弥合水锤，究其原因是停泵后管路系统中产生的降压波造成的，通过对断流弥合水锤的产生机理研究和近几年工程实践经验，本文就空气压力罐进行了分析。
2.1空气压力罐工作机理空气压力罐是一种十分有效的水锤防护设备，一般安装于水泵的出口处，用于保护水泵及整个管线免受水锤压力波的破坏。
当突然断电停泵时，水泵出口处的管道压力下降，压力罐内初始的气体压力大于管道中的液体压力，压力罐中的水被压入管道中，以补充管道内液体的流量，从而缓解水泵出口处的压力下降；当正压波到达水泵的出口处时，管道内的压力大于压力罐内气体的压力，管道内的液体由于压差的作用下被压入罐体内，从而缓解水泵出口处的压力升高。
由此可见，空气压力罐不但可以缓解管道中的升压过高，而且可以抑制管道中的压力下降过低。
气体水水襄图2-1空气压力罐基本结构图（立式）图2-2空气压力罐工作机理图2.2计算机理输水管道上，求解各节点水锤压力的方法普遍采用特征线法，此外，在泵站正常运行时，管道各处压力处于稳态时刻，满足以下条件：空气罐底部节点P 的压力平衡，即：H A =H P +H b +H so 式中：图3-1两阶段关闭法管道水锤压力包络线图3-2两阶段关闭法管道蒸汽体积图3-3两阶段关闭法水泵转速—时间关系图图3-4设气压罐后管道水锤压力包络线图3-5设气压罐后管道蒸汽体积图3-6设气压罐后水泵转速—时间关系图H A —稳态时刻，罐体内气体绝对压力水头（m ）；H P —稳态时刻，罐底部节点P 的测压管水头（m ）；H b —当地大气压值，当为1个标准大气压时，H b ≈10.33m ；H so —稳态时刻，罐体内水位高度（m ）；空气罐底部节点P 的流量平衡，即：Q=Q T +Q S式中：（转第47页）为3～5cm ，经计算复核本治理方案拆除重建的11座桥梁的雍水高度为0.5～4.6cm ，因此推求水面线时，过桥损失统一取为4cm 。
4.结果分析港河本支口设计水位为5.603m ，左右两岸高程分别为6.60m 、6.70m ；港河东支口设计水位为5.685m ，左右两岸高程分别为6.13m 、6.20m ；港河中支口设计水位为5.772m ，左右两岸高程分别为6.17m 、6.66m ；港河中支口设计水位为5.972m ，左右两岸高程分别为7.58m 、7.76m ；抛庄闸上设计水位为8.856m ，左右两岸高程分别为9.86m 、9.80m ；隋庄设计水位为11.688m ，左右两岸高程分别为12.48m 、12.54m 。
根据《治涝标准》（SL723—2016），平原坡水区的排涝河道设计排涝水位宜为地面高程以下0.3～0.5m ，大部分河段岸顶超高均能满足要求，局部河段超高不满足，应结合清淤土适当填筑。
水面线计算结果表明末端水位的确定和制定的清淤治理方案比较合理。
北排河入海口段（海河新村～防潮闸段）位于天津市境内，入海口为泥质河口，坡度较缓，排沥受高潮水位顶托，回淤严重。
河道淤积严重，闸前8km 出现倒坡，歧口处已淤积3.5m ，现状过流能力仅为设计流量的82%，入海口段不治理会导致河道水位抬高，对河道排涝影响很大，建议有关部门协调进行治理。
□Q —在管道中流出节点P 的流量（m 3/s ）。
Q T —在管道中流入节点P 的流量（m 3/s ）；Q S —在罐体与管道的连接管中流入节点P 的流量（m 3/s ）；图2-3空气压力罐计算简图罐内的气体压力变化符合波义耳定律，即：H *C n =H *0C n 0式中：H *0—气体的初始压力，一般为管道的正常压力值（m ）；C 0—空气罐内气体的初始容积（cm 3）；H *—水锤过程中气体的瞬时压力（可能是最大或最小）（m ）；C —与H *相对应的罐内气体容积（cm 3）；n —气体膨胀多方指数，（一般为1.2，当所冲气体为氮气时取1.4；节点P 的测压管水头HP 、罐内初始气体压力H *0和抗水锤压力罐内水体高度H S 满足如下关系：由上述关系式，代入特征线方程进行推导，应用计算机编程模拟可得出各节点的水锤压力。
目前对水锤计算的软件很多，对压力罐的模拟也逐渐成熟，采用水锤分析软件（美国Bentley HAMMER ）对案例进行分析，该软件即采用上述的特征线法进行模拟计算。
3.案例分析3.1基本情况多伦县新城区2030年规划人口为12万，其中7万人的生活用水靠地下水解决，另外5万人靠从水库引水解决。
新城区规划水处理厂位于南和村附近，水厂周围没有可供的水源，需要从大河口水库引水475.0万m 3/a ，提水管道设计最大流量为0.24m 3/s 。
提水管道长度为1.20km （0+000~1+200），从泵站开始向东南方敷设至八楞山处的高位水池。
加压提水管道采用DN600铸铁管，管道进口中心线高程为1220.9m ，管道出口中心线高程为1319.12m 。
高位水池内最高水位为1320.00m 。
水泵参数：水泵型号：DFSS200-5/2；水泵设计流量：296m 3/h （82.2L/s ）；水泵扬程：114m ；水泵额定转速：2960r/min ；水泵轴功率：114.5KW ；电机功率：132KW ；水泵效率：73%；水泵+电机转动惯量： 1.32kg/m 2。
3.2停泵水锤防护方案分析水泵出口设置多功能控制阀，沿线适当位置设置进排气阀。
停泵时，采用两阶段关闭，快关（关闭90%）5s ，慢关75s （全关），计算结果如下：由以上计算可知：加压提水段管线最大水锤压力为2.29Mpa ，最小水锤压力为-0.1Mpa ；在桩号0+400～1+200段负压大，会出现水柱拉断现象，产生弥合断流水锤；水泵出现倒转，最大倒转转速为-3521r /min ，超额定转速时间70s 。
计算结果表明，常规的两阶段关闭方法不能解决由于负压造成的断流弥合水锤，同样造成了水泵倒转严重，不符合规范要求。
在管道沿线适当位置设进排气阀，水泵出口处设置8000L 抗水锤空气罐，泵出口处阀门在停泵后5s 快速关闭，计算结果如下：由以上计算可知：管线最大水锤压力为 1.54Mpa ，最小水锤压力为0.01Mpa ；整条管线未产生负压，不会出现水柱拉断现象；水泵出现倒转，最大倒转转速为-948r/min ，未出现超额定转速情况，计算表明各项计算指标均满足规范要求。
3.3结果分析通过上述计算结果可以看出：输水管线由于地形起伏大，单靠阀门调节管道最大升压太大，超过管道承受压力，管道可能发生爆管；管内负压过大，以致管道内外压力差急剧增大，导致水体由液态向汽态转化，管道沿线发生水柱分离现象，应采取其它相应的抗水锤措施。
停泵时，在水泵出口设置抗水锤空气罐能够有效起到减低负压，防止弥合断流水锤现象产生。
采用抗水锤空气罐时，由于停泵管道中产生的升压波或降压波能够得到有效释放，故可以缩短水泵关阀时间，极大的降低水泵倒转转速，避免了水体倒流对水机的破坏。
4.结论在长距离输水工程设计时，应结合工程实际，通过综合比较，选取合理的水锤防护措施，切实降低水锤产生的危害。
□（接第45页）。
